随着物联网、大数据和人工智能等技术的出现与迅猛发展，人类社会即将进入智能时代。在智能时代，用户数字终端和各种业务数据量会急剧增长，这对通信技术的容量、速率和时延提出了全新的要求。无线光通信融合了光纤通信以及微波等传统无线通信的优势，具有传输容量大、无需频率许可、低成本、安装方便快捷、通信安全保密等优点，成为一种新兴的宽带无线接入方式，是解决最后一公里问题的良好途径。自世界上第一台红宝石激光器出现以后，人类就开始了无线光通信技术的相关研究。尤其是近年来，随着半导体激光器和光电探测器件的日益完善，以及传统无线通信频谱资源的日益匮乏，无线光通信又一次迎来了它的春天。本专题主要从可见光通信、调制编码、光信号传输及轨道角动量等方面介绍了无线光通信技术的发展及未来。

柯熙政，理学博士，二级教授，西安理工大学信息与通信系统学科负责人，陕西省智能协同网络军民共建重点实验室副主任。陕西省教学名师，中国电子学会会士，中国光学工程学会理事，陕西省光学学会常务理事。1983 年在陕西工学院获得学士学位，1996 年在中国科学院大学获得理学博士学位。1997 年到2002 年先后在西安电子科技大学和第**兵工程学院进行博士后研究。《电子学报》编委，《红外与激光工程》编委，《电子测量与仪器学报》编委，《激光技术》编委，《西安理工大学学报》编委，《时间频率学报》编委，Journal of Atmospheric Science Research 编委，国家科技奖励评审专家，陕西省学位委员会学科评议组成员。2000 年获得中国科学院优秀青年学者奖。2009 年获得“科技部教育部广东省优秀科技特派员”称号。2015 年获得扬州市“绿杨金凤”领军人物称号。2018 年获得中国产学研创新奖，2019 年获得中国产学研创新成果二等奖。2001 年以来获得省部级科技奖励16 项，其中一等奖1 项，二等奖5 项。获得国家授权发明专利20 多项，在科学出版社出版专著9 部，在国内外期刊发表学术论文400 多篇，已经培养博士研究生30 余名。王天枢，博士，长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心教授，博士生导师，中国电子学会、通信学会高级会员。主要研究方向是无线光通信技术及光纤激光器应用等。2007 年毕业于吉林大学获博士学位，2007-2010 年在浙江大学现代光学仪器国家重点实验室做博士后研究，2015 年在密歇根大学超快光学研究中心访问学者。作为负责人获吉林省技术发明一等奖1 项，吉林省有突出贡献专业技术人才、吉林省拔尖创新人才。《应用光学》期刊第九、十届编委，国家科技奖励评审专家。主持完成国家自然科学基金、**科技创新课题等项目12 项。以第一发明人获得授权国家发明专利20 项，在科学出版社出版专著2 部，以第一或通信作者在OpticsLetters、Optics Express 等各类学术期刊发表论文150 多篇。担任光通信与网络国际会议(ICOCN)、先进通信与信息技术国际会议(ICAIT)技术委员会委员，国际会议邀请报告5 次。已经培养博、硕士研究生40 余名。王惠琴，工学博士，兰州理工大学教授，博士生导师，中国光学学会高级会员，甘肃省电子学会高级会员，甘肃省通信原理省级精品课程负责人。1996 年在兰州交通大学获学士学位，2011 年在西安理工大学获工学博士学位。主持/参与完成国家自然科学基金、军队863 课题、省部级科研项目及各类横向项目20 余项。担任《光子学报》、《红外与激光工程》、《光电工程》和《量子电子学报》等国内学术期刊审稿人。自2008 年以来，获省部级科技奖励6 项。其中，省级三等奖1 项、厅级一等奖4 项，厅级二等奖1 项。获厅级教学成果奖1 项，出版“计算机通信技术”教材1 部。在Optics and Laser Technology、Optical Engineering、《中国科学》等国内外著名学术期刊发表学术论文50 余篇。获得发明专利授权5 项，实用新型专利授权6 项，软件著作权6项。

针对机载激光发射器位于云层上方或云层中央时，云层的存在会降低激光通信性能的问题，仿真分析了不同类型的云层对激光能量衰减、信噪比、最大码元传输速率与误码率的影响。得到结论：云的存在主要造成激光能量衰减，影响最大传输速率与误码率，但对信噪比影响较小。链路余量大于18.9 dB 的通信系统，链路上允许存在4 km 的云层。云层对最大通信速率与误码率的影响主要是时间扩展造成码间串扰。卷云对通信性能几乎无影响；积云对通信性能的影响较大；层云、层积云和积雨云对通信性能的影响更大，但三种云的差异很小，可不作区分；高层云和雨层云对通信性能影响最大，其中雨层云的影响比高层云更大。

基于角谱衍射理论，利用Johnson 传递系统数值模拟非高斯粗糙面，研究了拉盖尔-高斯涡旋光束通过随机非高斯粗糙表面的场分布特性。在分析了非高斯粗糙面方向自相关长度、峰度、偏斜以及均方根粗糙度对涡旋光束场分布影响的基础上，研究了涡旋光束通过随机粗糙表面后光束光强分布变化时的均方根粗糙度取值范围，并通过实验，将实验数据与仿真结果进行了对比分析。结果表明：当非高斯粗糙面方向相关长度为20 mm，偏斜为0.001，峰度为6，均方根粗糙度大于0.12 mm 时，拉盖尔-高斯光束透过随机表面的光强分布不再保持空心分布，对应的相位奇点消失。

在战场复杂电磁环境下，保证蜂群无人机编队机间飞行安全和编队内可靠通信尤为重要。本文提出一种蜂群无人机编队内无线紫外光协作避让算法，结合无线紫外光覆盖特点设计紫外虚拟围栏避让策略，基于增强矢量场直方图法针对无人机在避让时的运动状态的代价函数进行改进，采用无迹卡尔曼预测器预测邻近无人机的飞行状态。在两种预测场景下的避让仿真中，结果表明，与增强矢量场直方图法进行对比，本文算法的整体运动轨迹平滑，局部避让时无明显抖动，避让路径总长度平均减少3.46%，总耗时平均减小18.94%，验证了蜂群无人机编队内无线紫外光协作避让算法的有效性。

针对空间激光通信系统小型化设计的需求，提出了使用四象限探测器实现捕获与跟踪的方案。通过分析四象限探测器上光斑的位置分布，推导了三种光斑分布的4QD 捕获牵引模型，通过对4QD 光斑位置的解算以及与跟踪机构的精准标定，实现了4QD 的高精度跟踪。在实验室基于一台激光终端与系统测试平台，对四象限探测器的捕获与跟踪方案及性能进行了实验验证，测试结果表明，在实验室动态条件下，用4QD 作为捕获及跟踪探测器，捕获概率高达100%，跟踪精度优于3 μrad，验证了该方案的可行性，为激光终端小型化设计奠定了基础。

轨道角动量(OAM)复用和编码技术可有效提高光通信系统信道容量。近些年研究者提出将机器学习(ML)技术用于OAM 模式探测以提高OAM 光通信系统性能。本文对基于机器学习的OAM 模式探测方案进行了综述，包括误差反向传播(BP)神经网络、自组织神经网络(SOM)、支持向量机(SVM)、卷积神经网络(CNN)、光束变换辅助的识别技术以及全光衍射深度神经网络(D2NN)，分析了各类机器学习OAM 探测器在对抗大气、水下信道带来的干扰时展现出的性能差异以及各自优势。

本文报道了一种2.07 μm 波段可调谐主动锁模光纤激光并在室内模拟大气湍流条件下进行传输特性研究。增益介质为1.5 m 长的掺钬光纤，主动锁模通过LiNbO3 强度调制器在腔内引入周期强度调制实现。腔内引入非线性偏振旋转效应实现波长2058.4 nm~2078.6 nm 可调谐。实验获得了稳定的基频锁模脉冲和10 阶，24 阶，48 阶谐波锁模脉冲，对应频谱信噪比为66.79 dB、61.37 dB、54.82 dB 和49.66 dB。锁模脉冲经过数字调制后在实验室内大气湍流模拟池中进行传输，分别获得了ΔT 为70 ℃，140 ℃和210 ℃时三种湍流强度和背对背条件下的眼图；与背对背条件相比，在ΔT=210 ℃时光信噪比降低了9.14 dB。

涡旋光束携带的轨道角动量(OAM)为光波的空间域提供了新的维度资源，吸引了越来越多研究人员的关注。由于具有不同OAM 模式值的涡旋光束相互正交，因此将OAM 模式引入传统光通信领域，衍生出两种新的应用机制——OAM 键控(OAM-SK)与OAM 复用(OAM-DM)，这为未来实现高速、大容量及高频谱效率的光通信技术提供了潜在的解决方案。本文将从OAM 光束的类别和产生方法等基本概念理论出发，对这两种通信应用机制相关的典型研究案例做简要概述，并重点论述三种关键技术，包括OAM 光束复用技术、OAM 光束解调技术以及OAM 光通信的大气湍流效应抑制技术。最后，对OAM 光通信技术的未来发展趋势及其前景进行了分析与展望。

文章在分析无线激光通信(FSO)存在两种主要的大气信道问题的基础上，针对激光大气信道问题尤其是在复杂湍流环境下的频率选择性衰落问题和多径效应问题，提出了基于正交频分复用(OFDM)的湍流效应抑制方法，构建了FSO-OFDM 系统，研究了该系统的基带模型以及信号的多载波调制与解调方法。分析了无线激光通信中存在复杂湍流环境下的大气信道问题，讨论了大气湍流影响下的平面波激光通信系统模型，建立了大气湍流影响下对数正态湍流通道的高斯光束空间光通信系统模型，推导了光波强度的概率密度函数，研究了利用信噪比概率密度函数分析各种大气湍流效应对系统性能影响的方法；设计了无线光通信系统的OFDM 多载波调制方案，构建了FSO-OFDM 系统基带模式模型，并基于该模型研究了其信号的调制与解调原理。最后，采用MATLAB 编程实现FSO-OFDM 系统，对多径干扰下的FSO 通信系统进行仿真实验，进行了不同保护间隔下的误码率特性实验，验证了FSO-OFDM 系统具有很强的抗多径干扰和频谱选择性衰落能力以及良好的BER 性能，可有效解决码间干扰大、链路不可靠的问题，具有非常广泛的应用前景和使用价值。

无线光通信信道复杂多变，喷泉码作为一种新兴的无速率编码无需信道的先验信息即可实现不同信道环境下的自适应传输，与传统编码相比更能提升无线传输的质量。本文首先总结了喷泉码应用于无线光通信的优势以及国内外喷泉码的发展现状，然后深入研究了两类喷泉码编码方案的设计以及对喷泉码性能影响重大的度分布函数的设计，总结了一种喷泉码即(LT)码的译码方法以及近些年不断提出优化的方案，同时指出了喷泉码设计中亟需解决的关键难点，最后提出了喷泉码应用于无线光通信的必要技术和探索方向。

信道化接收技术是现代电子战和雷达系统的重要组成部分，是满足其高频段、大带宽、多通道同时接收等需求的核心使能技术。本文提出了一种基于微波光子的零中频接收机，可通过调整光频梳中心频率的方法使之与宽带RF信号组的中心频率相对应，从而实现3 GHz 的宽带射频信号的信道化接收，每个子信道带宽为600 MHz 且直接解调为I/Q 基带信号。

为了解决多用户MIMO(MU-MIMO)室内可见光通信中存在用户间干扰问题及对角化(BD)算法所产生的子信道强弱的问题，利用子流选择BD 算法，对室内MU-MIMO 可见光通信系统的误码率进行优化。建立了MU-MIMO 室内可见光通信的信道模型，利用控制变量法并采用不同LED 与PD 距离的参数，对比了在4×4 MIMO 与8×8 MIMO 两种不同的室内系统布局方式下的信道空间相关性，分析对比子流选择BD 算法及BD 算法的系统容量及误码率性能。结果表明，随着空间相关的不断增强，误码率性能下降，子流选择BD 算法相对于BD 算法可以带来4 dB 以上的增益。

可见光通信(VLC)是一项有前景的技术，作为现有无线通信网络的有益补充，可提供高速率、低延迟及多设备接入等通信服务。借助传统无线通信的高性能编码调制技术，已经设计并实现了各种适配于VLC 系统的物理层通信技术。不同于传统射频通信，VLC 采用LED 作为信号的发射源，LED 的调制容易产生非线性失真且调制带宽有限，已成为VLC 高速通信的技术瓶颈。针对这两方面的挑战，本文以白光LED 为出发点，阐述了白光LED 能有效兼顾照明和通信的特性，总结和分类了非线性失真补偿和拓展调制带宽的多种技术，最后本文提出了LED 封装材料及工艺、新型Micro-LED 器件研究、光源布局设计、码间干扰消除技术等开放性研究问题，以期提高可见光通信系统的性能。

本文立足于通信领域近年来备受关注的研究热点——可见光通信，阐述了其研究背景和基础系统架构，围绕材料器件、高速系统、异构网络、水下可见光通信和机器学习等五个前沿研究方向展开了对可见光通信研究进展的探讨，并概述了现阶段高速可见光通信技术面临的若干挑战。最后展望了可见光通信的前景：在未来万物互联的智能时代，可见光通信将以其高速传输的优势成为通信网络中不可缺少的一部分，与其它通信方式合作互补共同造福人类生活。

在逆向调制无线光通信系统中，大气湍流对系统的影响大于传统的无线光通信系统。本文研究了一种基于逆向端调制器分集的逆向调制无线光通信系统，以减小大气湍流对系统的影响。利用相位屏法，建立了弱湍流下的激光大气的传输模型，对比分析了逆向调制无线光通信系统逆向端逆向调制器分集和不分集分别所受到的大气湍流的影响。结果显示在相同情况下，逆向调制无线光通信系统在逆向端对逆向调制器进行分集能抑制大气湍流对系统的影响，使整个系统的闪烁指数下降。

光空间调制(OSM)作为一种新型的光多输入多输出(OMIMO)技术，利用空间域激光器索引号额外携带信息，有效地提高了系统的传输速率和能量效率；同时，由于每符号周期仅激活一个激光器传递信息，较好地解决了传统OMIMO系统中的信道干扰和同步等问题。本文首先介绍了现有的几种光空间调制技术，概括和总结其在国内外的研究现状。此外，从传输速率、频谱效率、误码率(BER)和计算复杂度等四个方面对现有的OSM、光空移键控(OSSK)、增强型光空间调制(EOSM)和差分光空间调制(DOSM)等方案进行了比较分析。最后，指出了OSM 中亟需解决的关键性问题及其未来的发展方向。